導讀：高速公路自動駕駛，將解決長距離探親、旅游、運貨的交通問題；城區自動駕駛，將解決中距離上下班、郊野游玩的出行問題；自動泊車，將解決短距離（最后一公里）的停車問題。當有朝一日上面的功能全部實現，自動駕駛的出行生態似乎已經閉環。
然而，電動汽車無線充電，作為自動駕駛出行完整生態不可或缺的一塊邊角料，提供了解決自動駕駛最后“10米”難題的一種方法。下文將對這種“隔空充電”的方式進行一個系統性介紹。
但腦補如下場景：一個周末慵懶的下午，一位精心打扮的姑娘，和閨蜜在商場進行了一番酣暢淋漓的消費后，帶著戰利品和磨破皮的腳后跟，乘坐自動駕駛車輛回家。車輛在自家停車位停穩后，碎花裙的姑娘拖著疲憊的雙腿下了車。在想到車內不斷響起的“續航里程僅剩50公里，請及時充電”提示后，姑娘強忍著腳后跟的疼痛，踩著8cm的高跟鞋走到車尾充電站處，搬起又臟又重的充電槍，費勁的將充電槍放進充電口。
上面場景在詩意與浪漫之間，多了一絲現實的殘酷，車都已經可以自動行駛、自動泊車，電為什么不能自動充呢？這個反問，讓筆者聯想到，自動駕駛出行的完整生態，不僅要擊退正面戰場上強大的感知、控制、規劃、決策等主力敵人，還要消滅敵后戰場上不容忽視的精銳力量。
而電動汽車無線充電，作為自動駕駛出行完整生態不可或缺的一塊邊角料，提供了解決自動駕駛最后“10米”難題的一種方法。下文將對這種“隔空充電”的方式進行一個系統性介紹。
一、無線充電簡史
19世紀后期，偉大的尼古拉斯·特斯拉(Nikola Tesla)發明了特斯拉線圈（tesla coil），一種特殊的變壓器，可以產生上百萬高頻電壓。這玩意用于制造人工閃電，很是炫酷，成為那個年代少有的撩妹神器。隨后，特斯拉利用這一撩妹神器，實現了無線隔空點亮燈泡的實驗，劃開了人類歷史上無線傳輸電能的序幕。
1978年，美國人喬治·博格爾開啟了給電動汽車無線充電的先例。
1994年，日本村田制造公司宣布實現“磁耦合諧振”。
2007年，麻省理工學院(MIT)的馬林·索爾賈希克團隊采用磁場共振式無線充電技術，成功在兩米的距離點亮了60W功率的燈泡，能量轉換效率也達到了45%。后來該團隊將這一技術申請了專利，并成立一家叫WiTricity的公司。WiTricity目前已經成長為“全球電動汽車無線充電技術的領導者”，并在后來成為中國電動汽車無線充電一系列國家標準的參編單位。
2008年12月，無線充電聯盟(Wireless Power Consortium，WPC)成立，通過制定、推廣基于電磁感應原理的手機無線充電標準，來解決不同手機廠商間山頭林立的局面。該聯盟的標志是“Qi”，頒布的標準也被稱為Qi標準。Qi標準目前已經成為全球分布范圍最廣、最普及的手機無線充電標準。
2009年1月，一個冷門的美國手機品牌Palm，在CES展會上公布了新一代操作系統webOS及首款手機Palm Pre。這是世界上第一款支持無線充電的智能手機，當然并沒有采用剛剛出爐的Qi標準。2020年7月的時候，雷布斯在個人社交賬號上還翻出這段歷史感慨一番，并明志要在小米手機上普及無線充電這項技術。
2015年2月，無線充電領域另外兩大產業聯盟無線電力聯盟(Alliance for Wireless Power，A4WP)與電源事務聯盟(Power Matters Alliance，PMA)宣布合并，致力于整合磁場共振與電磁感應技術，并發布統一無線充電標準：AirFuel標準。強強聯合一來是為了挑戰Qi標準在手機領域的霸主地位，二來是為了把觸角伸向更廣闊的汽車無線充電領域。
2017年9月， 剛剛加入WPC的蘋果，就發布了三款支持Qi標準帶有無線充電功能的iPhone8、Plus和iPhoneX三款手機。蘋果的嘗鮮，讓手機無線充電一夜之間成為大眾熱議的話題，也開啟了友商效仿、追逐與超越的序幕，自此手機無線充電領域進入一片混戰。
2020年4月，四項電動汽車無線充電國家標準GB/T 38775發布。這一系列標準早于傳統標準大戶SAE、ISO等國際組織的國標，讓一直在標準領域當慣了“學生”的汽車人有點不適應，但確實可以感受出國家在電動汽車領域的重視程度以及國內廠商深厚的技術積累程度。
二、無線充電原理
目前市場上比較主流的無線充電方式有三種：電磁感應式、磁場共振式和無線電波式。
1、電磁感應式
電磁感應式無線充電是基于法拉第發現的電磁感應現象和提出的電磁感應定律。不說人話就是：閉合電路的一部分導體在磁場中作切割磁感線運動時，導體中就會產生感應電流。說人話就是：你拿一個閉合的線圈在磁場中晃呀晃，閉合的線圈中就會感應出電流來，把這些電流收集起來，就可以用來給電池充電了。
如下圖所示，基于這種原理的無線充電系統主要由送電線圈（無線充電底座）和受電線圈（智能手機或汽車）兩個線圈組成。通過給送電線圈施加一定頻率的交流電（電流在送電線圈中的方向不斷的交替變化，一會兒順著流，一會兒反著流），送電線圈周邊就會產生不斷變化的磁場。受電線圈在群魔輪舞的磁場洗禮下，會產生相應的感應電流。該電流經過整流后便可給手機或汽車中的電池充電。
（圖片來源：民生證券研究院）
電磁感應式無線充電的優點是充電效率較高、技術要求簡單、標準完善，目前在市場上已經有大量成熟的產品。缺點就是傳輸距離太短（數毫米~數厘米），且距離一旦增加，充電效率將急劇下，導致使用位置相對固定。電磁感應式無線充電技術目前在手機領域站穩腳跟，對于汽車上動輒幾十厘米的底盤高度，此種技術還很難駕馭。
2、磁場共振式
磁場共振式無線充電是基于磁場共鳴的原理來實現電能傳遞。如下圖所示，發射線圈和接收線圈作為共振器，并將兩個線圈的諧振頻率調整為一致。當發射線圈通交流電產生變化磁場時，具有同樣諧振頻率的接收線圈進入磁場中時，收發線圈之間就會產生同頻磁場諧振。這個時候，能量便可以從發射端以磁場的形式耦合到接收端，從而實現能量的空間轉移。
（圖片來源：網絡）
相比于電磁感應式，磁場共振式無線充電的傳輸距離更長（數厘米~1m）,側面提高了充電面積，從而可以支持一對多的充電方式。但是由于松耦合連接，充電效率比電磁感應式無線充電要低。但是這樣的充電距離，這樣的充電面積，很難讓電動汽車不動心，不生非分之想。
3、無線電波式
無線電波式無線充電是通過在供電處放置一個電磁波發生器，發射天線將電磁波傳出，接收端接收天線收到電磁波信號后轉換為供電設備可使用的電流，實現無線充電。
無線電波式由于是將電磁波轉換為電能，雖然轉換效率很高，發送方和接收方的位置也可以不用固定。但是受限的發射功率、龐大的體積以及安全性問題，使其還處于爹不親娘不愛的階段。
三、無線充電應用實例
1、手機無線充電系統
如今許多汽車上也配置了用于給手機充電的無線充電模塊，下圖展示了這樣一種無線充電模塊的內部原理圖。整個系統關鍵組成部分包括控制單元MCU、驅動單元、降壓-升壓變壓器（Buck-Boost DCDC）、初級線圈等。
整個充電過程主要包括手機檢測和握手充電兩個步驟。
（1）手機檢測
一切美好姻緣的開始都源于心動，無線充電也一樣。無線充電模塊第一步也是檢測充電面板上是否有手機，該手機是否是使用相同無線充電協議的“心動”手機。在無線充電Qi標準中推薦了兩種檢測充電面板上是否有“心動”手機的方法，下面對其中一種方法進行介紹。
如下圖所示，無線充電模塊中的初級線圈被分割成八份勵磁線圈，無線充電模塊中的驅動單元生成如下所示的脈沖波形輸入給每個勵磁線圈，勵磁線圈發射出對應的射頻信號，這時候勵磁線圈中電流為I。如果是“心動”的手機在對應位置上并產生諧振，那么勵磁線圈中的電流I就會降低。通過綜合判斷八份勵磁線圈中的電流變化情況，就可以判斷是否有“心動”的手機以及是否在中心位置上。
（圖片來源：Qi協議）
（2）握手充電
在無線充電Qi標準中,握手充電過程包括四個階段：selection、ping、identification & configuration和power transfer，工作流程如下圖所示。
（圖片來源：Qi協議）
Selection：該階段用于檢測配對功率接收器是否存在，當發現一個或多個功率接收器時，一方面會對這些功率接收器進行定位，另一方面會嘗試與其通訊。
Ping：該階段無線充電模塊會執行一個數字ping，并監聽是否有響應。如果接收到相應的響應，則無線充電模塊會進入數字ping的拓展模式，這將使得系統進入到identification & configuration階段，如果無線充電模塊沒有成功進入數字ping的拓展模式，則系統恢復到selection階段。
Identification & configuration：該階段無線充電模塊識別選定的功率接收器，并獲取相關的配置信息。無線充電模塊使用相關的配置信息創建一個傳輸協議，該協議里包含了一些特定的參數，這些參數將在power transfer階段使用。此時如果沒有獲取相關的配置信息，則系統恢復到selection階段。
Power transfer：該階段無線充電模塊中的功率發射器向功率接收器供電，根據功率接收器提供的控制數據來調整供電電流的大小，包括充電終止等。
2、電動汽車無線充電系統
電動汽車無線充電已經有國家標準GB/T 38775的撐腰，在國標中，電動汽車無線充電輸入端的功率被分為8個等級，如下表所示。今年4月份剛上市，一直被我黑的智己L7提供了11kw功率的無線充電選裝配置。
電動汽車目前多采用的是磁場共振式技術，原理和手機無線充電有很多類似的地方，筆者就不花篇幅去贅述。僅貼出一張電動汽車無線充電系統工作流程圖及各對部件的解釋，以饗讀者。
（圖片來源：網絡）
四、汽車無線充電面臨的挑戰
電動汽車無線充電，從原理端來看，無比簡單清爽。從應用端來看，有遠大“錢”景“錢”途。在國內國外各大主機廠均已公布燃油車停售時間計劃的時候，電動汽車無線充電卻未能一直被大面積推廣應用。事出反常必有妖，可簡單歸納為如下幾個原因。
1、充電效率問題
有線充電通過導線傳輸電能，充電電路損耗比較小，不考慮電池端轉換效率的話，目前手機有線充電效率可達95%左右。無線充電通過磁場來傳遞電能，一來磁場本身無法被接收端完全吸收，二來環境干擾等將進一步降低效率，目前手機無線充電效率為70%左右。
汽車上沒有找到可靠的量產數據來進行對比，如果拿手機上的數據類比可知，采用無線充電的電動汽車將比有線充電的電動汽車多消耗接近30%的電量，消費者愿不愿意買單電費是一回事，國家可能也要斟酌一下對“碳達峰、碳中和”目標實現的影響。
2、電磁輻射問題
電動汽車電池容量大、充電時間不能太長等要求決定了無線充電的功率不能太小，而由此產生的電磁輻射問題也將接踵而至。尤其是整個停車場幾百臺電動車同時進行這種高功率的無線充電，電磁輻射的疊加問題將是一個令人掉頭發的難題。
GB/T 38775規定了電動汽車在無線充電時內、外的電磁輻射環境限值和測試方法，詳細列出了在多種頻率范圍下相應的電場強度和磁感應強度指標。相信有了標準的鞭策，各廠家的持續努力，無線充電的電磁輻射問題也會盡快收斂。
3、安全問題
磁場共振式無線充電技術普遍采用6.78MHz頻段，波長大約在30米，雖然從科學論證的角度來看對人體是無害的，但是要獲得普通消費者的認可還需要大量的試驗數據支撐。
4、成本問題
目前市面上電動汽車無線充電多為選裝配置，選裝價格在1萬元左右。一套無線充電還包括停車位地面端的改造。據某小作坊報價，目前無線充電停車位地面改造的價格在2萬左右。
相比于多數廠家（除Tesla）免費贈送的充電樁及安裝服務，在當下經濟環境下，花3萬塊買這樣一個新功能，估計也只能吸引那些不差錢又喜歡嘗鮮的富家子弟，普通老百姓還是要啃著窩窩頭好好思量一下的。
突然涌現出一絲不懷好意的揣測，現在上市的帶無線充電選配功能的電動汽車（說的就是你智己L7），肯定不是抱著賣的目的吧。而一個新產品的新功能不以賣給客戶為目的，不是用來討好某個高層領導，就是博一個宣傳的噱頭。
5、其他問題
室外無線充電車位要經歷春夏秋冬、風霜雨水，防水防塵要求會更高更嚴格；無線充電發射器和接收器是否能精準的對齊，都將影響充電效率，但我理解L4級別的泊車可以完美解決對位精度要求；如何在充電過程防止小貓、小狗等生物及金屬等異物侵入非常重要。上述工程技術難題，也夠電動汽車無線充電產品經理喝幾壺的。
五、小結
選這個題目嘮叨幾千字，倒不是因為無線充電技術有多先進、多前沿，而是想用這個內容去刻意感慨一下：自動駕駛臺面上聳立著無數陡峭山峰需要攀越，臺面下也隱藏著無數的暗礁需要趟過去。部分自動駕駛公司可別動不動就某某年提供量產自動駕駛方案，雖說無知者無畏，但你不學習有罪。
來源：十一號組織 作者：黃百萬
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